內(nèi)波與死水，連潛艇都怕的海浪

七君

海洋中內(nèi)波的產(chǎn)生

這種可怕的現(xiàn)象，就是在岸上和水面上的人很難覺察的內(nèi)波（intemal wave）。內(nèi)波就是水下的一種重力波，內(nèi)波產(chǎn)生的必要條件是分層的液體，當不同液層的界面被擾動時就會產(chǎn)生內(nèi)波。我們用油和水就可以模擬內(nèi)波，你可以看到，當油和水的界面上有波浪涌動時，這種波浪在油面上幾乎不會引起什么變化。

在海洋中，更熱、鹽度更低的海水位于上層，上下層之間的密度差使海水分層，為內(nèi)波創(chuàng)造了初始條件，當潮流遇到海底高山等阻礙時內(nèi)波就會涌現(xiàn)。實際上世界各地的大陸架附近經(jīng)常會出現(xiàn)內(nèi)波。

在水（藍色）和油（透明）的交界處形成了內(nèi)波

和水面的波浪不同，內(nèi)波可以傳播數(shù)千米，并且可以持續(xù)數(shù)小時。內(nèi)波的幅度，也就是最高處和最低處常常超過50米，這也讓內(nèi)波變得極為危險。根據(jù)斯克里普斯海洋研究所（ SIO）的海洋和大氣研究部的部長Matthew Alford和同事在2014年發(fā)表的研究，在10分鐘內(nèi)，海洋表層10米厚的海水就能打出一個近40米的浪頭，只不過這個浪頭是向下的而不是向上的。這樣迅疾的內(nèi)波對于浮潛的人來說相當致命。據(jù)Alford介紹，他曾經(jīng)作為專家被邀請為一場訴訟提供專業(yè)建議;在這個案件里，一名大溪地潛水員被內(nèi)波刮到了深海。

歐洲遙感衛(wèi)星拍攝到的直布羅陀海峽海洋表面，海面的波紋提示下方有內(nèi)波

畏懼內(nèi)波的不僅有潛水員，還有各國的潛艇。旱在1966年，美國海軍的一項研究就指出，內(nèi)波可以讓潛艇的控制變得困難，甚至可能導(dǎo)致潛艇沉沒。一戰(zhàn)時，潛艇通常會避免在連接地中海和大西洋的直布羅陀海峽處作業(yè)，就是因為他們知道那里有臭名昭著的內(nèi)波。

全球容易出現(xiàn)內(nèi)波的地方

在30多年前，真的有潛艇在直布羅陀海峽出事了。1984年9月21日，蘇聯(lián)的潛艇悄悄地潛伏在蘇聯(lián)的一艘商船下通過直布羅陀海峽，但在快要離開的時候卻一下子撞在了商船上。這次相撞導(dǎo)致商船損壞嚴重，潛艇的頭也破了，最終不得不浮出水面曝光。

內(nèi)波在海面形成的圖案

直布羅陀海峽的邪性和那里獨特的自然條件脫不了關(guān)系。根據(jù)歐洲航天局（ ESA）介紹，直布羅陀海峽的海水大致分為兩層：下層是更咸的地中海海水，上層是鹽度稍低的大西洋海水。再加上百布羅陀海峽海底地貌復(fù)雜，那里有大量內(nèi)波出沒就不奇怪了。

剛才說過，世界各地的大陸架附近都有內(nèi)波，而擁有最為驚悚的內(nèi)波的海域除了直布羅陀海峽，還有我國的南海、印尼的龍目海峽、安達曼海的小安達曼島和卡爾尼科巴島、意大利半島和西西里島之間的墨西拿海峽。

我國南海東沙群島附近的內(nèi)波可能是世界上最強力的，幅度可達300米。今年Alford在接受美國全國公共廣播電臺（ NPR）采訪時表示，美國、俄羅斯和中國都花了大筆經(jīng)費研究南海的內(nèi)波，因為這里的內(nèi)波可能對這些國家的軍事行動有很大影響。

內(nèi)波易引發(fā)“死水”現(xiàn)象

看完了上面對內(nèi)波的描述，你可能會認為，只要不潛水、不搭乘潛艇就沒事兒了吧，實際上，在海面也有被內(nèi)波欺負的可能。內(nèi)波會造成一種名為死水的罕見現(xiàn)象。有些海面看起來風平浪靜、人畜無害，但在海面航行的船只卻無法前行，這就是遇到了“死水”。

這是因為船只航行在與船水位線差不多深的淡水上，淡水下方則是鹽度更高的海水，兩者沒有充分混合。這種情況下船的動能會被轉(zhuǎn)化為內(nèi)波，造成船只無法移動。峽灣附近經(jīng)常會出現(xiàn)這種現(xiàn)象，因為冰川融化的淡水和峽灣的海水沒有完全混合，因此淡水能輕輕地浮在上層。

“死水”現(xiàn)象一開始被當作水手間的奇談，但是后來自為著名挪威探險家弗里喬夫·南森（ FridtjotNansen）的經(jīng)歷而得到科學(xué)研宄。1893年，南森在業(yè)洲最北的半島——泰梅爾半島附近探險時遭遇了“死水”。他將自己的經(jīng)歷告訴了物理學(xué)家威廉·皮耶克尼斯（ Vilhelm Bjerknes）。皮耶克尼斯和他的學(xué)生、后來被譽為現(xiàn)代物理海洋學(xué)第一人的沃恩·華費特·?？寺╒agn Walfrid Ekman）發(fā)現(xiàn)，船在分層的液體上前進時會產(chǎn)生內(nèi)波，而內(nèi)波會阻礙船只前行，導(dǎo)致“死水”現(xiàn)象出現(xiàn)。

在海洋中，內(nèi)波簡直防不勝防。麻省理工學(xué)院的海洋學(xué)家Thomas Peacock表示，內(nèi)波就是海洋中沉睡的巨人，它們在全世界的海洋里滾來滾去，但是人類卻很少看到它們。雖然內(nèi)波之上常常風平浪靜，但某些情況下大家可以在海邊觀察到內(nèi)波。海面上間距較大的一行行漣漪就是下方內(nèi)波的表征。

比如，索馬里海岸的業(yè)丁灣就常有內(nèi)波留下的壯美“皺紋”。業(yè)丁灣的海底地貌相當雄偉，有非常陡峭的大陸架外緣，因此常常會發(fā)生壯觀的內(nèi)波。當然了，這種情況下下海是極其危險的。

云在經(jīng)過內(nèi)波時被卷出的“花紋”

內(nèi)波雖然破壞力巨大，但也是全球生態(tài)和氣候中的重要一環(huán)。內(nèi)波能將藻類和浮游動植物進行重新分布，為海岸生態(tài)系統(tǒng)帶來營養(yǎng)，也能讓海水混合，這對于地球的氣候變化非常重要，因此內(nèi)波的活動也可以被用于預(yù)測氣候變化。

天空中也有內(nèi)波

如果你很想觀察內(nèi)波但又沒機會觀海，望天也是一個辦法。其實不僅海里會出現(xiàn)內(nèi)波，天空也會出現(xiàn)。在大氣具有冷熱分層的空氣時也會形成內(nèi)波，大氣中的內(nèi)波會形成波紋，云在經(jīng)過內(nèi)波時會被卷出花紋狀，這種能揭示大氣層中內(nèi)波的云也被稱為波狀云。

魚鱗天其實就是被內(nèi)波卷出的波狀云

那么，波狀云在地面上看是什么樣的呢？我們平時在地面上看到的波狀云就是被內(nèi)波卷出來的，這種天空也被叫作魚鱗天。一般來說看到這樣的天空，天氣就很可能會發(fā)生變化。

（本文經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載自“把科學(xué)帶回家”公眾號，有刪節(jié)）